基于NoC的多核分布式操作系统
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１ 概 述
集 成 电路制 造工 艺 的进 步推 动 了多处 理器 系统级芯 片
用资源池实现对全局资源 的管理 ，调度并用应用的执行 ；运
算节点运行着一个高度定制化的ｐ ／ Ｓ操作系统 ，具备简单 ＣＯ 的任务调度和加载功能，能够建立和加载基于 ＭＰ 应 用程序 Ｉ
中 圈分类号： Ｐ３・ Ｔ３８ ６
基 于 Ｎｏ 的 多核 分布 式操作 系统 Ｃ
胡新 安 ，付方发 ，孙 俊 ，喻明艳
（．哈尔滨工业大学微 电子 中心，哈尔滨 １０ ０ ；２ １ ５ ０ １ ．上海航天控制工程研究所 ，上海 ２ ０ ３ ） ０ ２ ３
接
要 ：采 用主 从控制方式和消息传递通信 相结合的非均衡设计 方法 ，设计基于片上 网络（ ｏ ） Ｎ Ｃ 的多核分布 式操作系统。在该系统中 ，主
上 ，而 其他核 上执 行单 个任务 线程 ，可 以获得最 高性 能 ， 但 程序 移植 性低 并且 资源管理 极为 困难 ；均衡模 式下各 个 核 上执 行具 有 完整、相似 功能 的操作 系统 ，提供 了较 高程 度的抽 象 ，给资源 管理 带来 了便利 但会 引起性 能损失 ；非
全 局资源 监控 、并行应 用 的调度和分 发、外设 的访 问等 。 其 他节 点为运算 节点 ，统计 自身资源 信息 、执 行并行 计算 任 务 。节点 间的通 信通 过一套 定制 的、针对嵌 入式应 用的
映 射 结 果将 并行 应 用 分 发 到 运 算 节 点 。运 Байду номын сангаас 节 点 在 接 收到 分
Ｎｏ ） Ｃ 提供 具有 易扩展、 低功耗、 高可靠和高性能的片上通 信 ，
越来越 多的基于 Ｎ Ｃ通信架构的多核结构被提出和实现。 ｏ 基
于 Ｎｏ Ｃ的多核系统的全局资源具有复杂性”，这使得在基于 Ｊ Ｎｏ 的 ＭＰ ｏ 中从全 局角度有效地管理和利 用系统资源变 Ｃ ＳＣ 得 十分困难。操作系统一个重要作用是提高系统资源 的利用
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系统 ；付 方发，助教 、博士 ；孙
生导师
统 来管理系统资源 以提高系统资源利用率 ，系统 中节点划分 为 主控 节点和运算节点 ２类 ：主控节点 上运行嵌入 式 Ｌｎ ｘ ｉｕ 操作系统 ， 进行 Ｉ ／ Ｏ、文件系统访 问等 非计算密集型操作 ， 运
俊 ，硕士 ；喻明艳 ，教授、博士
收稿 日期 ：２ １－７ ６ ０１ — ０２
Ｅｍａ ： ｕｉａ２０ ＠１３ ｏ — ｉ ｈｘ ｎ０８ ６． ｒ ｌ ｎ ｃｎ
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止统计模块在调度模块读取资源信 息时修 改资源信 息，使 用
信号量 同步接收线程 和调度模块对资源池 的访问 。 图 ２中的标出了本节所述 的资源池 ，主控节点不断更新 资源池 中信息 ，并在并行应用到来时利用资源池中信息完成
点将 自身资源信 息发送给主控节点 ， 主控节点进行信息统计 ， 在 并行 应用到来 时根 据最新 的资源信 息进行调度 映射并根据
多 核 消 息 传 递 接 口（ Ｓ Ｃ Ｍｅｓｇ Ｐ ｓｉｇ ｎｅｆｃ ， ＭＰ ｏ ｓａ ｅ ａｓｎ Ｉｔ ａｅ ｒ
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主控节点上运行着一个嵌入式 Ｌｎ ｘ操作系统 ，该节点 ｉｕ 负责与外界进行交互 ，统计和管理全局资源信息 ，并根据统 计 的资 源信 息 完 成任 务 的映射 和 调 度 。主 控 节点 不 进行
均 衡模 式下各 个核 上执行 相互 隔离 的轻量 级操 作系统 ，可
以获得 较 高的性 能并 具有 良好 的扩 展性 ，也能保 证应 用的 可 移植 性 ，但对 资源 管理、负 载平衡 及并 行应 用的加 载和 执 行 的实现 较复杂 。 对于资源受限的片上多核系统 ，资源利 用效率在很 大程 度上影响着系统性能 。本文采用非均衡模 式设计 多核操作系
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控节点通过资源池 统计 全局资源信息 ，利用运行时任务调度完成相关任务分派 。从节点以异步统计模式反馈资源信息 ， 并使用虚拟 内存技
术实现并行应 用子进程 的创建、加载和执行 。测试结果表 明，该系统能 有效支 持基于 消息传递接 口的并行程序 的调度 、加载及执行 。
关健诃 ：分布式操作 系统 ；消息传递接 口；非均衡模式 ；资源池 ；运行 时调度
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第３ ８卷 第 ５期
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２１ ０ ２年 ３月
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・工程 应 用技 术 与 实现 ・
文章 编号：１ ０ ４８ ０２ ５－２９－３ 文献标识码： ０ ￣３２（ １）－０５－０ ０ ２ ０ － Ａ
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２ 系统结构
本 文 系 统 的 整 体 结 构 如 图 １ 示 ， 包 括 通 过 片 上 网 络 所
连 接 的多个节点 和通过 总线连 接 的 Ｉ ／ Ｏ设备、 片外 存储器 。 系 统 中有 一个节 点作为 主控节 点运行 主控操 作系统 ，负责
效率 ，如何 有效地利用多核系统资源需要多核操作系统 的支 持 ，展 开对 多核操作 系统的研 究十分必要。 分 布 式操作 系统 的设计有 ３种 思路 】 ：裸核模 式 ，均 衡 模 式和 非均衡模 式 。裸 核模 式下操 作系 统运行于 某 些核
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图 １ 多棱 系统整 体结构
图 ２是本文 中分布式操作系统的示意图。其 中，运算节
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子进 程并 完成相 关计 算 。主控 节 点和运 算节点形 成分层结 构 ，具有非对称模式的高性 能和良好扩展性 的优点 。
（ ｌ—ｒｃｓｏ ｙｔ ｏ — ｈｐ ＭＰ ｏ ） Ｍｕｔｐｏ ｅｓｒ ｓ ｍ—ｎＣ ｉ， Ｓ Ｃ …的发展 ， ｉ Ｓ ｅ 然而多核 间的通 信面临着 多重的挑战 ，片上 网络ｉ（ ｅｗ ｒ ｎ Ｃ ｉ， ２ Ｎ ｔ ｏｋ ｏ ｈｐ １
ＭＭＰ Ｉ并行应用的执行，只进行全局资源统计 ，并通过运行
时调度来实现负载平衡 。运算节点上执行ｐ ／ Ｓ系统 ，统计 ＣＯ
自身的实时资源信息并反馈给主控节点 ，接收并执行主 控节 点分发 的并行应用程序。
作者倚介 ：胡新 安（９６ ） 男 ， １８ － ， 硕士研究 生， 主研方 向：多核操作
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１ 概 述
集 成 电路制 造工 艺 的进 步推 动 了多处 理器 系统级芯 片
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中 圈分类号： Ｐ３・ Ｔ３８ ６
基 于 Ｎｏ 的 多核 分布 式操作 系统 Ｃ
胡新 安 ，付方发 ，孙 俊 ，喻明艳
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接
要 ：采 用主 从控制方式和消息传递通信 相结合的非均衡设计 方法 ，设计基于片上 网络（ ｏ ） Ｎ Ｃ 的多核分布 式操作系统。在该系统中 ，主
上 ，而 其他核 上执 行单 个任务 线程 ，可 以获得最 高性 能 ， 但 程序 移植 性低 并且 资源管理 极为 困难 ；均衡模 式下各 个 核 上执 行具 有 完整、相似 功能 的操作 系统 ，提供 了较 高程 度的抽 象 ，给资源 管理 带来 了便利 但会 引起性 能损失 ；非
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于 Ｎｏ Ｃ的多核系统的全局资源具有复杂性”，这使得在基于 Ｊ Ｎｏ 的 ＭＰ ｏ 中从全 局角度有效地管理和利 用系统资源变 Ｃ ＳＣ 得 十分困难。操作系统一个重要作用是提高系统资源 的利用
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统 来管理系统资源 以提高系统资源利用率 ，系统 中节点划分 为 主控 节点和运算节点 ２类 ：主控节点 上运行嵌入 式 Ｌｎ ｘ ｉｕ 操作系统 ， 进行 Ｉ ／ Ｏ、文件系统访 问等 非计算密集型操作 ， 运
俊 ，硕士 ；喻明艳 ，教授、博士
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Ｅｍａ ： ｕｉａ２０ ＠１３ ｏ — ｉ ｈｘ ｎ０８ ６． ｒ ｌ ｎ ｃｎ
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第３ ８卷 第 ５期
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２１ ０ ２年 ３月
Ｍ ａ ｃ ２ ２ ｒ ｈ ０１
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・工程 应 用技 术 与 实现 ・
文章 编号：１ ０ ４８ ０２ ５－２９－３ 文献标识码： ０ ￣３２（ １）－０５－０ ０ ２ ０ － Ａ
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本 文 系 统 的 整 体 结 构 如 图 １ 示 ， 包 括 通 过 片 上 网 络 所
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效率 ，如何 有效地利用多核系统资源需要多核操作系统 的支 持 ，展 开对 多核操作 系统的研 究十分必要。 分 布 式操作 系统 的设计有 ３种 思路 】 ：裸核模 式 ，均 衡 模 式和 非均衡模 式 。裸 核模 式下操 作系 统运行于 某 些核
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图 １ 多棱 系统整 体结构
图 ２是本文 中分布式操作系统的示意图。其 中，运算节
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子进 程并 完成相 关计 算 。主控 节 点和运 算节点形 成分层结 构 ，具有非对称模式的高性 能和良好扩展性 的优点 。
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作者倚介 ：胡新 安（９６ ） 男 ， １８ － ， 硕士研究 生， 主研方 向：多核操作
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